Bose-Einstein condensatie in Nederland

De vorming van een Bose-Einstein condensaat is een faseovergang, zoals de vorming van een waterdruppel uit een wolk waterdamp. Cruciaal verschil is dat er geen intermoleculaire interactie voor nodig is. Het is een zuivere quantumeigenschap van een gas. Alle atomen in een BEC zitten in één en wel het allerlaagst mogelijke energieniveau. Daardoor heeft het uiterst merkwaardige eigenschappen.
In de eerste plaats zijn de atomen als zodanig onderling niet te onderscheiden. Niet alleen in de zin dat ze identiek zijn en dezelfde snelheid hebben, maar, verontrustend genoeg, zoals Wieman het uitdrukt, letterlijk, omdat ze dezelfde ruimte innemen. Ze zijn gefuseerd tot een soort 'superatoom'.
In de tweede plaats is een BEC groot genoeg om gemakkelijk zichtbaar te maken en te manipuleren, maar gedraagt het zich helemaal quantummechanisch. Normaal gesproken manifesteert het onbevattelijke golfkarakter van materie zich slechts op de volstrekt onzichtbare schaal van de deeltjes in een atoom. Nu heerst het op een schaal van miljoenen atomen, samen zo dik als een mensenhaar!
Absoluut fascinerend zijn de plaatjes van experimenten waarin onderzoekers twee Bose-Einstein condensaten laten interfereren. Keurige patronen van licht en donker, van 'buiken' en 'knopen', plaatsen waar de 'golven' elkaar versterken en waar ze elkaar uitdoven. 'Maak de golffuncties van je dromen!', adverteert Wieman graag in één van z'n sheets tijdens presentaties. Een bizar idee, met miljoenen atomen, maar hij laat zien dat het kan. 'Bose-Einstein condensatie heeft de quantummechanica menselijke proporties gegeven. Dat is de fundamentele reden waarom fysici er zo enthousiast over zijn', gelooft hij.

Het was in 1924 de Bengaalse fysicus Satyendra Nath Bose die een artikel schreef over de consequenties van het quantummechanisch golfgedrag voor verzamelingen atomen. Toen hij het niet gepubliceerd kreeg, stuurde hij het naar Einstein. Die doorzag de implicaties en voorspelde de nieuwe vorm van materie.
Einstein zelf zou zijn voorspelling niet erg serieus hebben genomen en pas halverwege de jaren zeventig besloten Jook Walraven en zijn promotor Ike Silvera experimenteel werk te maken van BEC. Ze gebruikten zogenaamd spingepolariseerd atomair waterstof. In 1979 demonstreerde Walraven hiermee dat het in principe mogelijk moest zijn om BEC te bereiken. Veel belangrijk pionierswerk volgde, zoals de ontwikkeling van het verdampingskoelen.
Uiteindelijk bleek atomair waterstof echter instrumenteel te ingewikkeld om in de race om het eerste BEC als eerste te eindigen. De alkaliatomen rubidium en natrium wonnen, Walraven achterlatend met 'mixed feelings'. 'Het succes van de alkali's betekende dat BEC mogelijk was met ieder systeem dat een boson is.
Die extra dimensie heeft mij vanaf de eerste seconde aangesproken.' In 1996 stapte hij over op rubidium en in 1999 maakte zijn groep op AMOLF het eerste Nederlandse BEC. Overigens is het in 1998 een Amerikaanse groep gelukt ook met atomair waterstof BEC te bereiken.

Wat Walraven fascineert, is dat een Bose-Einstein condensaat zich gedraagt als een stukje gecondenseerde materie, vertelt hij, doelend op supergeleiding en superfluïditeit. Bij supergeleiding verdwijnt alle elektrische weerstand uit een materiaal, bij superfluïditeit, bekend van vloeibaar helium, verdwijnt alle stroperigheid. In beide gevallen is, net als bij BEC, sprake van 'quantumgedrag' op macroscopische schaal.
Door de lage dichtheid in een Bose-Einstein condensaat, is de snelheid waarmee allerlei processen zich afspelen laag genoeg om die tot in detail te kunnen bestuderen. Een BEC kan dus als een modelsysteem dienen voor beide fenomenen. Zo laat Wieman bij gelegenheid een filmpje zien van een BEC waarin het was gelukt een draaikolk te maken, een quantumvortex. Vortices spelen een essentiële rol in supergeleiders. Nu is het dankzij BEC voor het eerst mogelijk naar believen vortices te maken die groot genoeg zijn om in detail te bestuderen hoe lang ze blijven bestaan, hoe ze verdwijnen, enzovoorts.

Op AMOLF bestuderen Jook Walraven en zijn medewerkers het inzetten van hydrodynamisch gedrag in een Bose gecondenseerd gaswolkje. In dit nog nauwelijks ontgonnen regime, wordt de afstand die een atoom aflegt tussen twee botsingen kleiner dan de afmeting van het gaswolkje. Hierdoor verandert de voortplanting van geluid en warmte en gaat het gedrag van het wolkje lijken op dat van vloeibaar helium.
Noodzakelijke ingrediënten voor het bereiken van dit regime zijn een zo groot mogelijk aantal atomen en een hoge dichtheid. Het komt er dus op aan veel deeltjes te vangen, veel deeltjes te koelen en daarbij zo min mogelijk deeltjes te verliezen. Dr. Kai Dieckmann tekende voor het ontwerp en de uitvoering van de opstelling. 'De eerste ter wereld zijn kon sowieso niet meer, dus wilden wij de apparatuur optimaliseren', vertelt hij. Een condensaat van een record van 15 miljoen rubidiumatomen bij een temperatuur van 1,5 miljoenste graad boven het absolute nulpunt en met een dichtheid van 7 maal tien tot de veertiende atomen per kubieke centimeter, was het resultaat.
Puntsgewijs somt Dieckmann, die onlangs AMOLF verruilde voor een onderzoeklab in de Verenigde Staten, het daarbij door hem ontwikkelde en toegepaste vernuft op: een intense bundel van koude atomen, een lasersysteem dat veel vermogen voor een lage prijs levert en een op basis van het theoretische model van Walraven uitgekiend supersnel en efficiënt proces van verdampingskoelen, met onder meer een heel steile magneetval. Desondanks is het hydrodynamisch gebied nog niet helemaal bereikt. 'In een condensaat treedt altijd verval op door molecuulvorming. Bij de hoge dichtheden grenzend aan het hydrodynamisch regime leidt dat tot botsingcascades waardoor je opwarming krijgt. Die opwarming is intrinsiek aan het hydrodynamisch gebied.'

Het 'diepe' hydrodynamische regime is misschien bereikbaar, vertelt Dieckmann, met behulp van een list die in 1992 werd bedacht door Boudewijn Verhaar, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven, en zijn toenmalige medewerkers Eite Tiesinga en Henk Stoof. Verhaars specialiteit is de interactie tussen twee atomen. Hiervoor is, bij de ijzingwekkende Bose-Einstein temperaturen, de verstrooiingslengte de enige nog relevante parameter. Deze heeft een positieve waarde als atomen elkaar afstoten, wat bijna altijd het geval is, en een negatieve waarde als ze elkaar aantrekken.
Verhaar en zijn medewerkers berekenden echter dat het, door met een homogeen magneetveld gebruik te maken van de zogenaamde Feshbach-resonanties, mogelijk moest zijn de verstrooiingslengte te variëren en zelfs van teken te veranderen. Daarmee gaven zij de experimentatoren een knop om te spelen met de onderlinge afstoting of aantrekking van de atomen. Zo zou bijvoorbeeld de dichtheid van een condensaat kunnen worden gemanipuleerd.
De experimentele realisatie van die knop leidde in de groep van Wieman en Cornell tot opwindende observaties. Als zij de atomen elkaar lieten aantrekken ontstond een steeds kleiner condensaat dat op een bepaald moment uit elkaar klapte, een klein restcondensaat achterlatend. Door de uiterlijke(!) gelijkenis met een supernova, spreekt Wieman van een 'bosenova'.

De 'bosenova' is een op het eerste gezicht onverklaarbare en voor theoretici ook totaal onverwachte vertoning. 'In dertig milliseconden waren driekwart van de atomen uit het condensaat verdwenen', vertelt een enthousiaste Henk Stoof, in 1989 gepromoveerd bij Verhaar en sinds vorig jaar hoogleraar in Utrecht. Atomen kunnen aan de magnetische val ontsnappen als door een botsing hun spin (intern magneetje) omklapt en ze kunnen moleculen vormen, maar die beide processen gaan veel te langzaam om het ineenstorten van het condensaat te verklaren.
Stoof achterhaalde met pure theorie wat er dan wél gebeurt. Bij een botsing draagt het ene atoom zo veel bewegingsenergie over aan het andere, dat dat kan ontsnappen. Een fysische gedachtekronkel zegt hij, want bij de Bose-Einstein temperaturen staan de atomen immers zo goed als stil. De crux zit 'm in de aantrekkende interacties tussen de atomen. 'Onze berekeningen kloppen ongelooflijk goed, ze liggen vrijwel bovenop op de experimenten.'
Verhaar ondertussen, werkt een voorstel uit dat niets minder dan een nieuwe revolutie in de wereld van de Bose-Einstein condensaten betekent. Met de Eindhovense 'list' zouden condensaten van moleculen kunnen worden gemaakt. Al langer is bekend dat molecuulvorming in een Bose-Einstein condensaat gestimuleerd kan worden door laserlicht van de juiste golflengte toe te voeren.
Grote inefficiëntie maakt dat echter onhaalbaar. Verhaar heeft nu berekend dat die efficiëntie met maar liefst een factor tien miljoen kan worden vergroot, door op een slimme manier de door hem en zijn medewerkers bedachte knop te hanteren.

Eén verdieping lager in het Eindhovense lab werken zijn collega Herman Beijerinck en diens groep zich'te pleuris' aan een andere revolutie: een Bose-Einstein condensaat maken van metastabiel atomair neon. Daarmee zit hij dr. Wim Vassen uit de groep van
VU-hoogleraar Wim Hogervorst op de hielen; die dat wil doen met metastabiel atomair helium. Vassen probeerde hiervoor al, tevergeefs, in 1994 en 1995 FOM-geld te krijgen. Dankzij het succes van Wieman en Cornell, vermoedt hij, lukte dat in 1996 wel. De Nederlanders hebben twee concurrenten in Frankrijk en één in Duitsland.
Het interessante verschil met de alkali's is dat de metastabiele edelgassen 'interne energie' hebben. In een gasontlading zijn ze in een 'aangeslagen', langlevende toestand gebracht. Gevolg is dat er bij een botsing ionen kunnen vrijkomen, en die zijn simpelweg te tellen. Zo openen Bose-Einstein condensaten van metastabiele edelgassen nieuwe mogelijkheden om de vorming en het verval van condensaten te bestuderen.
Daarnaast is de fysica van de koude metastabiele edelgassystemen op zichzelf interessant. Voor neon is bijvoorbeeld de verstrooiingslengte nog onbekend en die zou zelfs negatief kunnen zijn. Ook de levensduur van de condensaten (de interne energie van de atomen is vier keer zo groot als de ionisatie-energie!) is een verrassing.
Extra moeilijkheid van het werken met de metastabiele edelgassen is het scheiden van de één op de honderdduizend aangeslagen atomen van de rest. Bovendien is het verlies tijdens het laserkoelen veel groter dan bij de alkali-atomen. Vassen is nu bij het beginstadium van het verdampingskoelen aanbeland. Wanneer zijn eerste Bose-Einstein condensaat het licht zal zien, durft hij niet te voorspellen.
'Ergens in 2001 wordt het erg spannend', belooft Beijerinck. Zijn groep begon eind 1999 met atoomvallen. In december 2000 moest het verdampingskoelen kunnen beginnen. Beijerinck vatte in 1997, tijdens een 'stomvervelende' conferentie, het plan op een Bose-Einstein condensaat te gaan maken met een voor botsingsexperimenten gebouwde bundellijn van koude neonatomen. Uiteindelijk, gelooft hij, zullen Bose-Einstein condensaten met interne energie gewoon een faciliteit worden. En dan? 'Ach, het blijkt altijd zo te zijn dat de gekke, spannende fysica vanzelf komt.'
Spannend én gek is ook de fysica die dr. Robert Spreeuw sinds vijf jaar bedrijft in de groep van UvA-hoogleraar Ben van Linden van den Heuvell. Spreeuw hoopt scherprechter te kunnen zijn in het debat over de vraag hoe een tweedimensionaal gas zich gedraagt bij Bose-Einstein temperaturen. 'We weten dat de geometrie heel belangrijk is voor de overgang naar een condensaat, maar of Bose-Einstein condensatie ook zal optreden in een tweedimensionaal gas, is nog geen uitgemaakte zaak. Volgens de theoretische voorspellingen zullen in ieder geval de eigenschappen anders zijn.' Het eerste 'platte quantumgas' moet echter nog gemaakt worden. Die doorbraak zit er echter aan te komen in Heidelberg, óf, als het meezit, in Amsterdam.
'Bose-Einstein condensatie is een fundamenteel effect van de meest fundamentele theorie die we hebben', verklaart Henk Stoof zijn fascinatie voor het onderwerp. Toch, al is zijn eigen drijfveer louter het begrijpen van het systeem, begint zelfs hij over een toepassing: de atoomlaser. Verschillende groepen, waaronder die op AMOLF, hebben laten zien dat het principe van de atoomlaser werkt. Een voor de hand liggende toepassing van zo'n laser is het 'schrijven met atomen', bijvoorbeeld voor het maken van de fijnst mogelijke patronen op chips. Als de atoomlaser eenmaal bestaat, zullen bovendien vele andere toepassingen volgen, zegt Stoof stellig. 'Zo ging het met de laser ook.'
Kai Dieckmann, Jook Walraven en Boudewijn Verhaar houden daarnaast enthousiaste verhalen over extreem precieze interferometers, gravitatiemeters en atoomklokken op basis van BEC. Instrumenten die in eerste instantie vooral fysici zullen aanspreken, maar waarvan het nut via bijvoorbeeld GPS (Global Positioning System) uiteindelijk ook het brede publiek zal bereiken. (MvdG)